基于Halbach原理的电磁超声换能器永磁铁设计

在实际应用中,电磁超声换能器（electromagnetic acoustic transducer,EMAT）的转换效率低是一个普遍存在的问题,如何提高其检测效率是研究的重点。为了提高接收信号的幅度,对比了两种永久磁铁结构,选定了一种基于Halbach阵列的永磁铁的新型结构模型。对磁铁的提离距离做了仿真分析与实验研究,得出最合适的提离距离为2mm。通过理论计算与有限元方法的大量仿真与结构优化,验证了其结构的可行性与有效性。结果表明,新型EMAT结构能够有效提高接收信号的幅度,信噪比大约是传统EMAT结构的1.9倍。     

电磁超声换能器线圈设计与提高换能效率研究

提出了一种提高电磁超声换能器EMAT(Electromagnetic Acoustic Transducer)换能效率的方法,首先,在COMSOL Multiphysics软件中建立了电磁超声无损检测激发探头有限元模型,然后研究了电磁超声换能器中双层叠加螺旋线圈的基板厚度、铜箔厚度以及提离距离对换能效率的影响.结果表明:减小基板厚度以及提离距离,增加线圈铜箔厚度可以提高EMAT换能效率.最后通过实验进行验证,仿真结果与实验基本一致.     

基于内窥超声环阵换能器的快速成像方法研究

随着超声快速成像技术的发展,诞生了一系列新型超声成像模态,大大提高了病变诊断的准 确性和特异性。但这些新技术都需要较高的成像帧率来实现对组织瞬时变化的精确追踪。然而目前已 有的几种快速成像算法都是基于线阵、凸阵以及平面阵的,还没有完全应用到内窥环阵换能器上,导 致这些新技术还无法很好地应用到内窥成像中。为此,该文研究了 3 种基于内窥超声环阵换能器的快 速成像方法,并进行了图像重建的理论推导以及仿真实验验证。结果表明,3 种快速成像算法都可以 将成像帧率提高到 1 kHz 以上,同时将横向分辨率限制在 2 mm 以内。     

聚焦换能器的研制和在超声特征成像中的应用

为了提高对层状复合金属材料缺陷的成像分辨率,需要用高灵敏度的聚焦换能器.针对我们研制的(F-San)全自动超声特征成像系统,用钛酸铅做压电晶片,不同颗粒度的钨粉做声透镜和背衬的主要材料,研制了主频为10～20MHz宽带窄脉冲聚焦换能器,并用光学法拍摄了主频为10MHz的换能器的超声波声场在水中的聚焦过程及焦斑大小.在对层状复合金属材料检测时,缺陷的成像分辨率达0.5 mm.     

变波长水平剪切波电磁超声换能器设计

针对大型常压储罐底板厚度在线测量需要,设计并制作了一种可变波长的低阶水平剪切波电磁超声换能器,该换能器主要由永磁铁阵列、可变间距机械夹具、PCB板、阻抗匹配模块、接口、保护层及外壳等组成.对研制的换能器进行了性能测试,结果表明:研制的电磁超声换能器可在一定波长变化范围内激励出单一的低阶水平剪切波,且信噪比较好.设计的可变波长电磁超声换能器为压力容器在线检测提供了可能的传感器手段.     

用于血管内成像的 60 MHz 高频超声换能器设计及其成像实验

在血管内超声成像系统中,超声换能器是重要的部件之一,对成像性能起决定性作用。提高超声换能器的成像分辨率可以获得更多图像细节,有助于临床获取动脉粥样硬化斑块的细节信息。此外,超声换能器还需要具有足够的穿透深度,能够对斑块和血管进行完整评估。而成像分辨率和成像深度都与超声换能器的频率密切相关,且二者相互制约。该文综合考虑了冠脉成像对成像分辨率与成像深度的要求,优化设计并制备了一种 60 MHz 的微型高频换能器。仿体实验表明,基于该换能器的超声成像分辨率可显著提高,且成像深度满足冠脉成像的需求。大动物活体实验结果表明,与商业 40 MHz 换能器相比,该文所设计的换能器能更清楚地看到血管中膜内层边界和支架结构,可以为临床提供更精细的指导优化。     

基于超声成像技术的套管损伤检测系统设计

工业的发展越来越依赖石油和天然气,合理高效的开采、及时对油气井生产的套管损伤状况检测至关重要.为了解决这个间题,本文提出基于超声成像技术实现套管损伤程度的检测.首先,阐述超声波成像技术基本原理,再对成像检测系统进行总体设计,包括硬件电路设计和软件系统设计.其中,系统软件设计中,利用MATLAB软件仿真实现对被检测超声波回波信号的模拟呈现,能从成像图上观测到套管的各个损伤部位坐标和损伤程度,这样有利于更加直观、清晰分析套管损伤性质,有效地缩短了设计周期,使检测系统结构趋于合理,符合工程实用.     

铝板纵波电磁超声检测中电磁铁的遗传算法优化设计

提出一种提升电磁超声检测能力的电磁铁的遗传算法优化方法,首先采用单目标优化方法,分别以磁感应强度和均匀度为目标,利用响应曲面法（RSM）,确定磁感应强度与磁芯,线圈等因素的二阶响应模型,根据响应模型得到优化参数。然后采用多目标优化方法,以磁感应强度和均匀度为目标,采用Matlab与Comsol联合仿真,并结合遗传算法进行优化。两组优化结果表明：多目标优化方法得到的有效区域磁感应强度更高,均匀度更好,通过实验证明优化后纵波信号提升60%,证明优化方法有效,可以将该方法运用到其他形式的电磁铁设计。     

高温铝合金电磁超声SV波检测方法研究

建立斜入射垂直剪切(Shear vertical, SV)波在高温铝合金金属材料中的声场分析和瞬态传播有限元模型,研究了斜入射SV波在高温铝合金中的声场特性和传播规律。设计并制作了耐高温斜入射SV波电磁超声探头,对铝合金试块底部长20 mm×宽1 mm×高1 mm的人工U型槽在20℃～450℃高温条件下进行检测。研究结果表明,随着温度的升高,斜入射SV波的入射角逐渐减小,主瓣宽度先增大再减小,主旁瓣比依次递减,缺陷回波的飞行时间增加,回波幅值呈现先增加后减小的趋势。     

基于收发一体聚焦超声换能器的浅表组织损伤实时监测研究

在聚焦超声治疗浅表组织疾病过程中,尚无有效的手段对焦域组织损伤进行监控。以聚焦超声换能器为基础,构建了一套超声治疗和损伤监控一体化的超声脉冲回波信号监测系统。将获取的超声脉冲回波信号进行滤波,提取焦域范围内的回波信号包络,进而得到包络信号的积分值,用该积分数值大小来表征超声脉冲回波信号的强弱。计算出回波信号的相对变化值,从而分析出回波信号的相对变化与组织损伤的关系。离体牛肝实验结果表明：在相同辐照模式下,随着辐照回合数增加,回波信号相对变化值随之增大,组织损伤面积也随之增大。根据换能器接收的回波信号变化可以判断离体组织亚毫米级损伤的形成,且回波信号的强弱与离体组织损伤大小吻合度良好。这为聚焦超声治疗浅表组织疾病提供了一种具有一定应用前景的损伤监测方案和手段。     

声学参量换能器阵及其测试系统设计

根据声学参量阵原理,设计了一个3×3的九元矩形换能器阵及其测试系统,并在空气进行验证性实验;系统包括正弦信号产生电路、信号控制电路、功率放大电路以及回波信号接收电路等,辅以LabVIEW平台,实现正弦信号和脉冲控制信号的产生,发射信号时间长度控制以及功率放大,并最终驱动换能器阵;实验表明,当有85kHz和90kHz的正弦信号产生时,系统各部分均能正常工作,能够听到天花板处有声响,且回波信号中含有5kHz的频率成分,即证明换能器阵及其系统的设计均是可行的.     

基于洛伦兹力机理的电磁超声周向导波传感器研制

在分析基于洛伦兹力机理的电磁超声周向导波检测原理的基础上,通过实验方式研究传感器参数对检测信号幅值的影响,根据实验结果确定了传感器参数.设计并制作了电磁超声周向导波传感器.对所研制的传感器进行性能测试,结果表明:该传感器能检测出Φ3.2 mm的通孔缺陷.     

金属结构损伤电磁检测软件设计与开发

电磁检测具有非接触、快速、高效的优势,在大型钢结构件的检测中具有广阔的应用前景,且多种检测方式集成是电磁检测的发展趋势。为此,提出了一种集成漏磁、电磁超声和导波电磁检测软件的可复用结构设计方法。采用“模块化模型”思路设计功能模块,基于“软件总线结构”概念实现模块间的数据通信。通过设计标准化的数据接口,以满足各模块的独立开发和拓展,并与软件系统无缝连接,再使用调度控制器进行检测模式或状态的切换,以实现多种检测功能。最后基于Windows环境的MFC开发一套检测软件,并进行了验证。     

交叉偶极阵列声波测井仪信号处理电路的抗干扰设计

针对交叉偶极阵列声波测井仪高温、强背景噪声的作业环境,通过深入分析噪声源,采取信号滤波和优化的布局布线等技术手段设计交叉偶极声波信号处理电路。着重阐述了恶劣环境下前置预放大电路、高精度带通滤波器和逻辑控制等功能模块的抗干扰设计。试验结果表明,该处理电路能在井下恶劣环境中稳定可靠工作,有较强的噪声抑制能力,完全满足工业生产作业的需要。     

平面电容传感器设计及在材料探伤中的应用研究

材料内部不同损伤具有不同的介电特性,利用平面电容传感器可以实现无损检测。平面电容传感器电极位于同一平面,敏感场非均匀分布,电极结构是影响传感器敏感场分布的主要因素。研究敏感场分布特性有助于提高传感器测量精度。本文基于有限元研究了不同电极结构的平面电容传感器,仿真结果表明,矩形叉指电极敏感场分布均匀性好。分别优化矩形叉指电极和圆形电极结构参数,并基于PCB工艺研制传感器用于材料损伤检测。实验验证了平面电容传感器用于材料探伤的有效性,且矩形叉指电极传感器测量效果优于圆形电极。     

电磁环境感知与可视化仿真系统的设计与研究

阐述了电磁环境感知与可视化仿真系统的总体结构和功能;分析了电磁环境感知分系统的设计理念和关键技术;提出基于HLA的可视化仿真的结构体系,给出了电磁环境可视化仿真分系统的设计方法。感知与可视化仿真相结合,形成真实可靠、形象逼真的电磁环境态势,为决策和控制提供依据和保障。     

交叉偶极阵列声波测井仪控制和处理电路的设计与实现

针对交叉偶极阵列声波测井信号的特点,设计了一种以DSP+FPGA架构为核心的控制和处理电路。详细介绍了电路的硬件结构和软件设计流程,重点描述了测井数据通信接口和逻辑控制模块的实现,并给出了一种首波提取算法。实验结果表明,该电路在井下高温高压恶劣环境中能够稳定可靠地长时间工作,完全满足工业生产作业的需要。     

声发射技术在罐底腐蚀检测中的应用与研究

在利用声发射技术对四个大型原油储罐底板腐蚀情况进行现场检测的基础上,对采集到的声发射信号进行处理分析,并对比了不同时段的用于罐底信号定位的声发射事件.结果表明:同样一个储罐在白天和夜间得到的声发射事件数量差异巨大,在夜间采集的声发射数据更能代表罐底腐蚀的实际情况.可用于判别检测过程是否受到噪声影响;可以为以后的声发射检测时间的选择提供指导意义.